国内外硅基薄膜太阳能电池运行形势分析.doc

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1、国内外硅基薄膜太阳能电池运行形势分析第一节 2012-2014年全球硅基薄膜太阳能电池动态分析目前全球范围中CIGS薄膜制造商为数不少，但是大多数企业在该领域的设备研发都局限于实验室，并没有实际的工艺生产经验。即使全球最大的CIGS制造商日本SolarFrontier公司，虽然它的生产工艺是自己开发的，但也并没有做技术转移。而Manz公司是全球唯一一家可提供量产CIGS太阳能电池组件生产的设备供货商，其独家拥有的量产尺寸创新生产线，可将生产线快速转移给CIGS太阳能电池组件生产商，以提供零距离的最新研发工艺并转移给企业，这也就是Manz最大的特别之处。目前，Manz公司量产的CIGS薄膜太阳能

2、组件效率已达14.6%，尤其是上一年Manz公司与ZSW共同研发的最新CIGS薄膜太阳能电池技术转换效率达20.8%，首次超过了目前市面上广泛使用的多晶硅太阳能电池的效率。虽然目前此项成果未实现量产，不过林俊生仍然信心满怀地表示，从近几年CIGS薄膜电池的效率提升的速度来看，相信CIGS很快能达到与多晶硅一致的量产效率水平。第二节 2012-2014年全球硅基薄膜太阳能电池技术研究一、薄膜太阳能电池技术的发展情况目前在光伏市场上薄膜太阳能电池的产品类型主要有CdTe薄膜电池、硅基薄膜电池和CIGS薄膜电池。这些薄膜太阳能电池根据衬底材料可以分为刚性(即玻璃衬底)电池和柔性(不锈钢或聚酯膜衬底)

3、电池。其中柔性电池的优点是可折叠、重量轻、不易碎。与常规的晶体硅太阳能电池相比，这些薄膜电池使用材料很少，构成太阳能电池的薄膜材料厚度不超过5微米，而晶体硅电池厚度约180微米200微米。各种材料薄膜太阳能电池以其特有的优势和逐渐成熟的工艺技术占有了光伏市场的一席之地，而且成长速度非常快。工艺、材料是规模化生产最大瓶颈薄膜太阳能电池因为廉价的衬底材料(如玻璃、不锈钢、聚酯膜)，有柔性，材料禁带宽度可调控，组件温度系数低等优点很受瞩目，在光伏市场的应用规模逐渐扩大，2010年已经占13%以上的市场份额。各种薄膜电池都有一些瓶颈问题尚未解决。目前硅基薄膜太阳能电池，无论单结、双结还是三结电池，制造

4、工艺都是采用等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)方法，真空腔的清洗基本是氟化物(SF6或NF3)，排出物是含氟气体。荷兰科学家Rob van der Meulen等在2011年第19期的Progress in photovoltaics：Research and Applications上发表文章称，这种含氟气体对环境造成的温室效应比CO2高1720022800倍。太阳能光伏发电一直以来被认为是绿电，那么在制造环节中也应该采用绿工艺。对于硅基薄膜电池厂商来说，有寻找新的清洗气体替代当前的氟化物的方案，降低温室气体排放。另一种方案是尽快提高电池的转换效率，当稳定效率达到12%16%，才有可能

5、补偿排放的温室气体对环境的影响。此外由于硅薄膜组件效率低(5%7%)，在光伏系统应用中单位发电功率占地面积几乎是晶体硅组件(效率为13%15%)的2倍，相应地，BOS的成本也要增加，可见提高硅基薄膜组件的光电转换效率是赢得市场的重要条件。最近几年，更多的人开始关注CIGS薄膜太阳能电池，量产化成功的案例是日本的SolarFrontier(前身是Showa Shell)，技术和设备是自主开发的。其CIGS薄膜的技术路线是溅射加后硒化处理，核心就是后硒化处理。由于硒化过程采用有毒气体，硒化设备的设计非常重要，而市场上没有专业的硒化设备供应商。此外采用蒸发技术制备CIGS薄膜遇到的问题是如何做到大面

6、积薄膜的均匀性和可靠性，包括薄膜的微结构、光学、电学和厚度等的均匀性和可靠性。除了上述技术上的难题，原材料In也是人们议论的焦点之一。In是贵金属，地球上材料丰度小，可能会限制这类电池的大规模生产。这就对新材料的开发提出了高的要求。PV-网站2011年5月报导瑞士科学家在柔性塑料衬底上制备出18.7%转换效率的CIGS电池，柔性电池的主要优点是可以采用卷对卷工艺来降低制造成本。上图给出了美国Global Solar公司的产品示意图。柔性电池产业化道路上的主要障碍是如何在低温条件下制备性能优良的薄膜。美国第一太阳能对CdTe薄膜电池技术严密封锁，其他欲进入该领域的企业在量产化过程中困难重重。目前

7、中国的薄膜电池企业大部分在硅基薄膜领域，也有一些企业开始进入CIGS和CdTe薄膜电池领域。这些企业比较普遍的做法是关键设备和原材料从国外进口，由于缺少核心技术，遇到的问题是整条生产线各种设备的兼容性不理想，设备与工艺的集成度不高，导致产品良品率低，成本难以下降，市场竞争力弱。三类薄膜电池齐头并进各有千秋当前普通晶体硅太阳能电池光电转换效率约为16%18%，实验室最高效率是25%(面积4cm2)。双结硅基薄膜太阳能电池的实验室最高效率为11.9%(1.227cm2)，产品效率8%9%；CIGS电池和CdTe电池的实验室最高效率分别为20.1%(面积0.503mm2)和16.7%(面积1.032

8、cm2)，这两种化合物电池产品效率分别为7%11%和8%11%。我们知道太阳能电池在应用时都要封装成组件。当晶体硅电池封装成光伏组件后，由于受封装材料(如玻璃、EVA等)限制，有光学损失和电学损失，组件的光电转换效率还要降低13个百分点左右。而薄膜电池因其工艺的集成度高，从电池到组件几乎是同步完成的，转换效率几乎没有损失。可见高品质的薄膜光伏组件可以达到晶体硅光伏组件的性能。晶体硅电池中硅材料占总成本的30%50%，电池成本严重受限于产业链上游材料的质量和数量。相较而言薄膜电池因使用原材料少、工艺集成度高、成本低、柔性可弯曲等特点有独特的发展空间。硅基薄膜太阳能电池商品化硅基薄膜太阳能电池有单

9、结、双结和三结结构，光电转换效率分别为5%6%、6%8%、7%10%，主要生产单位有美国的United Solar System公司，欧洲的VHF-technologies公司，日本的Kaneka、Sharp、Sanyo、三菱等公司，中国的有天威薄膜、新奥、普乐新能源、南通强生、常州畅源、泉州金太阳、深圳拓日、天津津能、浙江正泰、合肥荣事达等。硅基薄膜电池的制备工艺主要是化学气相沉积技术，分为射频等离子体增强的化学气相沉积、甚高频等离子体增强的化学气相沉积、热丝化学气相沉积、热丝催化等离子体化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积、脉冲等离子体化学气相沉积等多种，电池生产工艺分为单室多片、多室单

10、片和连续卷对卷技术。设备供应商主要有Oerlikon、Applied Material、Ulvac、Evatech、Leyhold optics、EPV、Energosolar、BudaSolar、Nano PV、华基光电、北仪创新、普乐新能源、思博露科技。这意味着硅基薄膜太阳能电池从设备到工艺技术已经相对成熟。硅基薄膜电池发展遇到的难题是在低成本的前提下如何提高光电转换效率到15%，这样才会有较强的市场竞争力。CIGS薄膜太阳能电池在薄膜类太阳能电池中CIGS电池具有最高的实验室光电转换效率，2010年德国Stuttgart的ZSW研制了效率为20.3%的单结电池，这是新的世界记录，为CIG

11、S薄膜电池的产业化发展增强了信心。因为CIGS多晶薄膜禁带宽度在1.06eV1.63eV范围内可调控，而且材料的吸收系数高，是非常理想的太阳能电池材料。这类电池的衬底材料可以选择玻璃、不锈钢或者聚酯膜，都是廉价材料。商品化CIGS电池的转换效率在7%11%，日本的Solarfrontier是目前国际上规模最大的CIGS电池制造商，产能达900MW。还有Honda Motor Company，德国的Wurth Solar、Shell Solar、Solarin等，美国的Global Solar、Daystar Technologies、Nanosolar、Miasole等，中国主要有山东孚日、苏

12、州高赛等。CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺有真空技术和非真空技术，真空工艺主要有溅射和蒸发。对于溅射方法制备的CIGS薄膜需要后硒化处理改善薄膜的性能。非真空技术可以大大降低电池的制造成本，但电池的性能和效率低下。市场上CIGS光伏产品基本是真空工艺完成的，这样可以保证较高的转换效率和稳定性。与硅基薄膜电池不同，CIGS电池专业的设备供应商还很少，而且到目前为止还没有成功量产化的案例，这需要生产者的团队具备较强的工艺技术实力，以及设备开发与整合能力。日本Solarfrontier公司的设备和工艺都是自主开发的，设备是不在市场销售的。其他各家也基本如此。中国企业基本是花大价钱购买国外设备，但设备

13、不代表工艺技术，也就意味着不一定能成功量产。CdTe薄膜太阳能电池在光伏电池制造领域，提高光电转换效率和降低生产成本是永远的主题。随着先进制造装备、革新材料、新器件结构的不断出现，电池的效率在迅速提升，成本也在急速下降。美国的第一太阳能(First Solar)已经成了这个行业的领跑者，该公司2009年是世界上最大的太阳能电池制造商，2010年产量达到1.1GW。这类电池的吸收层即CdTe薄膜的性能至关重要，其制备方法有近空间升华法、电沉积法、PVD、CVD、丝网印刷、溅射等，规模化生产应用比较成熟的技术是近空间升华法。当然因为这种电池所用的关键材料为Te和Cd而备受业界质疑。Te的储量有限，

14、Cd是剧毒材料，二者形成化合物CdTe后是无毒的。这类电池的生产企业主要有美国的First Solar、BPsolar、EPIR Tecieshnolog，德国的Antech公司、Siemens，日本的matsushita battery，中国四川的阿波罗、杭州的先进太阳能公司等。由于制造技术主要集中在美国和德国，市场上没有专业的设备供应商，限制了其全球范围的大规模生产。可见如果没有自主开发的核心技术，短时间内是很难成功实现CdTe薄膜电池的规模化生产。不过，我们可以从美国第一太阳能公司的发展历程中学到些东西。美国第一太阳能公司成立于1987年，最初生产非晶硅薄膜电池，1990年开始转移到Cd

15、Te电池，1992年制造出了第一个120cm60cm的光伏组件，随后发布建立10MW的生产线，2004年年底产能达到了25MW。其最早供应到市场的组件效率在6.2%6.9%，面积约0.72m2。研究其发展历程不难发现，其产品良品率在逐年上升，从2003年的70%到2007年的90%，预计到2015年将提升到95%。同时，随着技术的进步，其每条生产线的产能已增加到60MW，效率提高到了11%，成本降低到了0.7美元/W左右。预计到2013年产能将达到69MW/line，CdTe薄膜厚度减薄到1.8微米，效率达到11.7%，制造成本锐减到0.66美元/W，稀有元素Te的用量从2007年的260吨/

16、GW将下降到120吨/GW。在2011年5月欧洲大型光伏展览中，第一太阳能宣布随着在德国新工厂的建立，其产能达到里程碑式的4GW。二、薄膜硅太阳能电池DEZn输送系统技术分析目前商业化生产的薄膜硅太阳能电池主要分为非晶硅(a-Si)薄膜和非晶/微晶硅 (a-Si / c-Si) 叠层薄膜。其生产工艺首先是在玻璃基板上制造透明导电氧化物(TCO)，然后再通过PE C V D方法沉积p型、i型和n型薄膜，最后用溅射做背电极。目前工业化的TCO制备方法有溅射法(Sputter)和化学气相沉积法(CVD)，分别在玻璃基板上形成ZnO:Al或ZnO薄膜。化学气相沉积通常使用的原料为二乙基锌(DEZn)，

17、其与水反应后生成ZnO和C2H6。DEZn是无色液态化学品，密度1198kg/m3，具有自燃性、遇水反应性、毒性等特殊危害。DEZn在空气中自燃，生成Z n O粉末、C O2和H2O，易导致灼伤。与水发生剧烈反应，生成ZnO粉末和C2H6气体。其中ZnO对水生生物有剧毒，会对水生环境产生长期的不利影响。ZnO粉末也容易造成输送设备和管道的堵塞。DEZn化学稳定性很低，在70以上即开始分解，高于120时分解产物包括Zn、C2H6、C2H4和H2等，过热会导致容器的爆炸。因此，必须从工程设计、操作维护和应急反应等方面采取相应措施，预防事故发生。在DEZn输送系统的设计上，首先应对其危害性进行分析，

18、通过本质安全设计，消除安全隐患。其次，采用监测手预防事故发生。最后，采用减灾措施，降低事故后果。针对DEZn的特殊性质，系统设计在安全控制、工艺控制和纯度控制等方面采取了特殊的技术措施，以实现把原料钢瓶内的DEZn，安全连续地输送到TCO设备。安全控制方面，系统采用SS316L管道阀门材料，并进行保压测试和氦检漏，确保系统的机械完整性。DEZn钢瓶和控制面板放置于抽风的防爆柜壳内，防止向外界环境的泄漏。柜壳内设置了高温探测器和火焰侦测器，及时发出火情警报，并切断DEZn供应。干粉灭火装置用于及时扑灭柜壳内的火焰。采用自动风阀，确保火灾发生时与厂务抽风系统的隔离，避免火势沿风管蔓延。工艺控制方面

19、，通过稳压氮气，把钢瓶中的DEZn平稳输送到使用设备。压力传感器可随时监控输送系统压力。电子秤监控钢瓶重量，确保DEZn的连续供应。设备采用气动阀，通过PLC实现全自动操作。纯度控制方面，系统采用不锈钢S S316L材质，并经电解抛光处理。工艺阀门均采用隔膜阀，并以VCR方式连接。系统还考虑了防止D E Z n分解颗粒导致的堵塞问题。操作现场应配备合适的个人防护装备(P P E)及应急反应器材，并明确标示逃生路线。DEZn操作需要编制并严格遵循标准操作规程(S O P)，确认己做的每一个步骤。由于DEZn遇水发生剧烈反应，以及在空气中自燃，及时发现并切断泄漏源是防止火灾扩大的最根本的手段。而供

20、液站的消防措施主要是隔绝DEZn与空气的接触，常用的灭火剂有干粉、蛭石、沙土、珍珠岩等，禁止采用卤代烷灭火器、水、泡沫等灭火剂。作者： 李东升,龚小雷,上海正帆超净技术有限公司三、2012-2014年中国薄膜太阳能电池技术发展新情况研究人员通过进一步研究表明，有机薄膜太阳能电池有望开发出转换率达20%、可投入实际使用。专家认为,未来5年内薄膜太阳能电池将大幅降低成本，届时这种薄膜太阳能电池将广泛用于手表、计算器、窗帘甚至服装上。不久的将来，薄膜材料的太阳能电池将出现在人们的日常生活中。或许在未来5年有望改变人们工作、生活和娱乐方式的创新。四、提高硅薄膜太阳能电池的效率技术用于供电的太阳能电池板

21、会占据屋顶的大部分空间，为太阳能加热系统留下的空间很少。为了解决这一问题，美国科学家制造出了一种新的太阳能电池系统，其不仅供电能力更强，并且也能捕获更多热量来加热房间和水。太阳能光伏热能系统（PVT）指利用太阳电池的光生伏特效应，将太阳能直接转换成电能的发电系统。但迄今为止，与独立式太阳能集热器相比，其生热能力要略逊一筹。那是因为，它们需要在低温下操作，以冷却晶体硅太阳能电池，这就会让硅发电更多，但集热能力就乏善可陈了。如此一来，PVT就面临两方面的问题。首先，与它相比，好的太阳能热水系统能以更低的成本捕捉更多的能量。另外，其会占满屋顶的所有空间，使得热应用几乎无立锥之地。有鉴于此，密歇根理工

22、大学材料科学和工程学助理教授约书亚皮尔思领导的科研团队使用不同的硅制造出了一种更好的PVT从而解决了上述问题。皮尔思解释道，目前，大多数太阳能面板都由晶体硅制成，但其实，科学家们也可以使用非晶硅（一般是薄膜硅）来制造太阳能电池。薄膜硅的供电量或许要少一点，但它们更轻、更灵活且更便宜且能节能。然而，由于非晶硅材料在强烈的光线照射下会产生缺陷而导致电流下降（即所谓的光致衰减效应），发生供电不稳定的问题。因此，目前，薄膜太阳能电池占据的市场份额非常少。然而，皮尔思团队发现，可以通过将薄膜硅整合入一种新的PVT中来克服光致衰减效应。皮尔思指出，在制造新系统之前，我们不需要将薄膜硅冷却；而且，通过将其加

23、热到太阳能-热操作温度（接近水的沸点），可以使用这种薄膜硅制造出更厚且能克服光致衰减效应的太阳能电池。当他们将薄膜硅直接应用于太阳能集热器上时，他们也发现，通过抑制退火（每天烘烤该电池两次），他们能将新太阳能电池的光电转化效率提高10%。皮尔思说：“新电池系统的供热、供电效率都得到了极大的提高，因此，这种PVT将成为下一波太阳能电池的主流。在接下来的20年内，每家每户的屋顶上可能都会配备PVT。”第三节 2014-2020年全球硅基薄膜太阳能电池前景预测在未来太阳能电池的发展蓝图中，薄膜电池以低成本成为新的亮点。从总体上看，太阳能电池市场的年增长率仍然超过38%，而薄膜太阳能电池的年增长率则将超过70%。从应用角度讲，在光伏电站等需要大量产生电能的应用领域，薄膜太阳能电池更有成本优势。晶体硅吸收长波长的太阳光能，因此在阴雨天难以工作。在高温环境下，晶体硅太阳能电池的转换效率随着温度的升高将大幅度下降。而薄膜太阳能电池的转换效率受温度变化的影响要小得多。相比之下，薄膜太阳能电池对光能的收获率更高。